УТВЕРЖДАЮ на заседании Ученого совета ТГУ имени Г.Р. Державина, протокол № 11 от “ 08 ” июня 2010 г. Ректор В.М. Юрьев ПРОГРАММА ЭКЗАМЕНА КАНДИДАТСКОГО МИНИМУМА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 03.02.07 «ГЕНЕТИКА» Тамбов 2010 СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ КАНДИДАТСКОГО МИНИМУМА. Введение. Основу программы составляют как ставшие классическими наблюдения учёных конца XIX начало XX вв. по наследованию признаков и их молекулярному детерминированию, так и современных сведения о природе генов и механизмах их функционирования. Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии по биологическим наукам причастии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. 1. Общие сведения Предмет генетики. История генетики. Понятия: ген, генотип, фенотип, мутация. Место генетики среди биологических наук. История генетики. Роль отечественных учёных в развитии генетики и селекции (Н.И. Вавилов, А.С. Серебровский, Н.К. Кольцов, Ю.А. Филипченко, С.С. Четвериков и др.). Место генетики среди биологических наук. Значения генетики для решения задач селекции, медицины, биотехнологии и экологии. 2. Материальные основы наследственности Понятие о генетической информации. Доказательство роли ядра и хромосом в явлениях наследственности. Локализация генов в хромосомах. Роль цитоплазматических факторов в передаче наследственной информации. Деление клетки и воспроизведение. Митотические цикл и фазы митоза. Мейоз и образование гамет. Конъюгация хромосом. Редукция числа хромосом. Генетическая роль митоза и мейоза, Кариотип. Парность хромосом в соматических клетках. Гомологичные хромосомы. Специфичность морфологии и числа хромосом. Молекулярные основы наследственности. Истоки биохимической генетики. Концепция «один ген – один полипептид». Белок как элементарный признак. Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот (трансформация у бактерий, опыты с вирусами). Структура ДНК и РНК. Модель ДНК Уотсон и Крика. Функции нуклеиновых кислот в реализации генетической информации: репликация, транскрипция и трансляция. Методологическое значение принципа передачи генетической информации: ДНКРНК-белок. Свойства генетического кода. Доказательство триплетности кода. Расшифровка кодонов. Вырожденность кода. Терминирующие кодоны. Понятие о генетической супрессии. Универсальность кода. Строение хромосом: хроматида, хромомеры, эухроматические и гетерохроматические районы хромосом. Изменение в организации морфологии хромосом в ходе митоза и мейоза. Репликация хромосом. Политения. Онтогенетическая изменчивость хромосом. Молекулярная организация хромосом прокариот и эукариот. Компоненты хроматина: ДНК, РНК, гистоны, другие белки. Уровни упаковки хроматина, нуклеосомы. 3. Генетический анализ. Основные закономерности наследственности. Цели и принципы генетического анализа. Методы: гибридологические, мутационные, цитологические, генеалогические, популяционные, близнецовые, биохимические. Основы гибридологического метода: выбор объекта, отбор материала для скрещиваний, анализ признаков, применение статистического метода. Разрешающая способность гибридологического метода. Генетическая символика. 3.1. Моногибридные и полигибридные скрещивания Закономерности наследования при моногибридном скрещивании, открытые Г. Менделем: единообразие гибридов первого поколения, расщепление во втором поколении. Представление Г. Менделя о дискретной наследственности (факториальная гипотеза). Представление об аллелях и их взаимодействиях: полное и не полное доминирование, кодоминирование. Закон «чистоты гамет». Гомозиготность и гетерозиготность. Анализирующее скрещивание, анализ типов и анализ соотношения гамет у гибридов. Расщепление по фенотипу и генотипу во втором поколении и анализирующем скрещивании при моногенном контроле признака и разных типов аллельных взаимодействий (3:1, 1:2, 1:1). Относительный характер доминирования. Возможные биохимические механизмы доминирования. Закономерности наследования в ди- и полигибридных скрещиваниях при моногенном контроле каждого признака: единообразие первого поколения и расщепление во втором поколении. Закон независимого наследования генов. Статистический характер расщеплений. Общая формула расщеплений при независимом наследовании. Значение мейоза в осуществлении законов «частоты гамет» и независимого наследования. Условия осуществления «менделеевских» расщеплений. Отклонения от «менделеевских» расщеплений при ди- и полигенном контроле признаков. Неаллельные взаимодействия: комплементарность, эпистаз, полимерия. Биохимические основы неаллельных взаимодействий. Особенности наследования количественных признаков (полигенное наследование). Использование статистических методов при изучении количественных признаков. Представление о генотипе как сложной системе аллельных и неаллельных взаимодействий генов. Плейотропное действие генов. Пенетрантность и экспрессивность. 3.2. Хромосомное определение пола и наследование признаков, сцепленных с полом Половые хромосомы, гомо- и гетерогаметный пол; типы хромосомное определения пола. Наследование признаков, сцепленных с полом. Значение реципрокных скрещиваний для изучения сцепленных с полом признаков. Наследование при нерасхождении половых хромосом. Балансовая теория определения пола. Гинандроморфизм. 3.3. Сцепленное наследование и кроссинговер Значение работ школы Т. Моргана в изучении сцепленного наследования признаков. Особенности наследования при сцеплении. Группы сцепления. Кроссинговер. Доказательства происхождения кроссинговера в мейозе и митозе на стадии четырех нитей. Значение анализирующего скрещивания и тетрадного анализа при изучении кроссинговера. Цитологические доказательства кроссинговера. Множественные перекресты. Интерференция. Линейное расположение генов в хромосомах. Основные положения хромосомной теории наследственности по Т. Моргану. Генетические карты, принципы их построения у эукариот. Использования данных цитологического анализа для локализации генов. Цитологические карты хромосом. Митотический кроссинговер и его использование для картирования хромосом. Построения физических карт хромосом с помощью методов молекулярной биологии. 3.4. Генетический анализ у прокариот Особенности микроорганизмов как объектов генетических исследований. Организация генетического аппарата у бактерий. Представление о плазмидах, эписомах, мигрирующих генетических элементах (инсерционные последовательности, транспозоны). Методы, применяемые в генетическом анализе у бактерий и бактериофагов: клональный анализ, метод селективных сред, метод отпечатков и др. особенности процессов, ведущих к рекомбинации у прокариот. Конъюгация у бактерий: половой фактор кишечной палочки. Методы генетического картирования при конъюгации. Кольцевая карта хромосом прокариот. Генетическая рекомбинация при трансформации. Трансдукция у бактерий. Общая и специфическая трансдукция. Использование трансформации и трансдукции для картирования генов. 4. Внеядерное наследование Закономерности не хромосомного наследования, отличие от хромосомного наследования. Методы изучения: реципрокные, возрастные и поглощающие скрещивания, метод трансплантации, биохимические методы. Материнский аффект цитоплазмы. Наследование завитка у моллюсков. Пластидная наследственность. Наследование пестролистности у растений. Наследование устойчивости к антибиотикам у хламидомонады. Митохондриальная наследственность. Наследование дыхательной наследственности у дрожжей. Взаимодействие ядерных и внеядерных генов. Цитоплазматическая мужская стерильность у растений. Информационный фактор в неядерной наследственности. Наследование каппа-частиц у парамеций при разных способах размножения (при нормальной и продлённой конъюгации, при аутогамии). Наследование сигма-фактора у дрозофилы. Плазмидное наследование. Свойства плазмид: трансмиссивность, несовместимость, детерминирование признаков устойчивости к антибиотикам и другим лекарственным препаратам, образование колицинов и др. использование плазмин в генетических исследованиях. Значение исследования негенетического наследования в понимании проблем эволюции клеток высших организмов, происхождение клеточных органелл (пластид и митохондрий). Эндосимбиоз. 5. Генетическая изменчивость Понятие о наследственной и ненаследственной (модификационной) изменчивости. Формирование признаков как результат взаимодействия генотипа и фактора среды. Норма реакция генотипа. Адаптивный характер модификаций. Комбинативная изменчивость, механизмы его возникновения, роль в эволюции и селекции. Геномные изменения: полиплоидия, анеуплоидия. Автополиплоиды, особенности мейоза и характер наследования. Аллополиплоиды. Амфидиплоидия как механизм возникновения плодовитых аллополиплоидов. Роль полиплоидии в эволюции и селекции. Анеуплоидия: нуллисомики, моносомики, полисомики, их использование в генетическом анализе. Особенности мейоза и образование гамет у анеуплоидов, их жизнеспособность и плодовитость. Хромосомные перестройки. Внутри и межхромосомные перестройки; делеции, дупликации, инверсии, транслокации, транспозиции. Механизмы их возникновения, использование в генетическом анализе для локализации отдельных генов и составления генетических карт. Особенности мейоза при различных типах перестройки. Классификация генных мутаций. Представления о прямых и обратных, генеративных и соматических, адаптивных и нейтральных, летальных и условно летальных, ядерных и неядерных, спонтанных и индуцированных мутациях. Общая характеристика молекулярной и природы возникновения генных мутаций: замена оснований, выпадение или вставка оснований (нонсенс, миссенс и фрэймшифт типа). Роль мобильных генетических элементов в возникновении генных мутаций и хромосомных перестроек. Спонтанный и индуцированный мутационный процесс. Количественная оценка частот возникновения мутаций. Многоэтапность и генетический контроль мутационного процесса. Радиационный мутагенез: генетические эффекты ионизирующего излучения и УФ-лучей. Закономерности «доза-эффект». Химический мутагенез. Особенности мутагенного действия химических агентов. Факторы. Модифицирующий мутационный процесс. Антимутагены. Мутагены окружающей среды и методы их тестирования. 6. Теория гена. Структура генома Представление школы Моргана о строение и функции гена. Функциональный и рекомбинационный критерии аллелизма. Множественный аллелизм. Мутационная и рекомбинационная делимость гена. Работа школы Серебровского по ступенчатому аллелизму. Псевдоаллелизм. Функциональный тест на аллелизм (цис-транс-тест). Исследования тонкой структуры гена на примере фага Т4 (Бензер). Сопоставление генетических и физических размеров единицы карты для установления размеров гена и минимальной единицы матирования и рекомбинации. Ген как единица функции (цистрон). Явление межаллельной комплементации, относительность критериев аллелизма. Молекулярно генетические подходы в исследовании тонкого строения генов. Перекрывание генов в одном участки ДНК. Интрон-экзонная организация генов у эукариот. Классификация повторяющихся элементов генома. Семейство генов. Псевдогены. Регулярные элементы генома. Молекулярногенетические методы картирования генома. Проблемы происхождения и молекулярной эволюции генов. Понятие о структурной, функциональной и эволюционной геномике. 7. Молекулярные механизмы генетических процессов Преемственность проблем «классической» и молекулярной генетики. Мутационные модели. Генетический контроль и молекулярные механизмы репликации. Полуконсервативный способ репликации ДНК. Полигенный контроль процесса репликации. Схема событий в вилке репликации. Понятие о репликоне. Особенности организации и репликации хромосом эукариот. Системы рестрикции и модификации. Рестрикционные эндонуклеазы. Проблемы стабильности генетического материала. Типы структурных повреждений в ДНК и репарационные процессы. Генетический контроль механизмы эксцизионной пострепликативной репарации, репарация неспаренных оснований, репаративный синтез ДНК. Роль репарационных систем в обеспечение генетических процессов. Нарушения в процессах репарации как причина наследственных молекулярных болезней. Рекомбинация: гомологический кроссинговер, сайт-спецефическая рекомбинация, транспозиции доказательства механизма общей рекомбинации по схеме «разрыввоссоединение». Молекулярная модель рекомбинации по Холлидею. Генная конверсия. Сайтспецифическая рекомбинация: схема интеграции и исключения ДНК фага 1. Генетический контроль и механизмы процессов транспозиции. Генетический контроль мутационного процесса. Связь мутабильности с функциями аппарата репликации. Механизмы спонтанного мутагенеза; гены мутаторы и антимутаторы. Механизмы действия аналогов оснований, азотистой кислоты, акридиновых красителей, алкилирующих агентов. Понятие о мутагенных индуцибельных путях репарации; УФмутагенез. Мутагенез, опосредованный через процессы рекомбинации. Механизмы автономной нестабильности генома, роль мобильных генетических элементов. Молекулярные механизмы регуляции действия генов. Регуляция транскрипции на уровне промотора, функции РНК-полимеразы. Принципы негативного и позитивного контроля. Системная регуляция; роль циклической АМФ и гуанозинтрифосфата. Оперонные системы регуляции (теория Жакоба и Моно). Генетический анализ лактозного оперона. Принципы регуляции действия генов у эукариот. Транскрипционно активный хроматин. Регуляторная роль гистонов, негистоновых белков, гормонов. Особенности организации промоторной области эукариот. Посттранскрипционный уровень регуляции синтеза белков. Роль мигрирующих генетических элементов в регуляции генного действия. 8. Генетика развития Онтогенез как реализация наследственно детерминированной программы развития. Стабильность генома и дифференциальная активность генов в ходе индивидуального развития. Первичная дифференцировка цитоплазмы, действие гена в раннем эмбриогенезе, амплификация генов. Роль гомейозисных генов в онтогенезе. Опыты по трансплантации ядер. Методы клонирования генетически идентичных организмов. Тканеспецифическая активность генов. Функциональные изменения хромосом в онтогенезе (пуфы, «ламповые щётки»); роль гормонов, эмбриональных индукторов. Факторы, определяющие становление признаков в онтогенезе: плейотропное действие генов, взаимодействие генов и клеток, детерминация. Компенсация дозы генов. Взаимоотношения клеток в морфогенезе. Генетика соматических клеток. Гетерокарионы. Применение метода соматической гибридизации для изучения процессов дифференцировки и для генетического картирования. Химерные (аллофенные) животные. Совместимость и несовместимость тканей. Генетика иммунитета. Онкогены, онкобелки. Генетический контроль дифференцировки пола. Роль генов Y-хромосомы в определении у мужского пола у млекопитающих. Мутации, переопределяющие пол в ходе онтогенеза. Гормональное переопределение пола. 9. Основы генетической инженерии Задачи и методология генетической инженерии. Методы выделения и синтеза генов. Понятие о векторах. Векторы на основе плазмид и ДНК фагов. Геномные библиотеки. Способы получения рекомбинантных молекул ДНК, методы клонирования генов. Проблема экспрессии гетерологических генов. Получение с помощью генетической инженерии транс генных организмов. Векторы эукариот. Дрожжи как объекты генетической инженерии. Основы генетической инженерии растений и животных: трансформация клеток высших организмов, введение генов в зародышевые и соматические клетки животных. Проблемы генотерапии. Значение генетической инженерии для решения задач биотехнологии, сельского хозяйства, медицины и различных отраслей народного хозяйства. Использование методов генетической инженерии для изучения фундаментальных проблем генетики и других биологических наук. Социальные аспекты генетической инженерии. 10. Популяционная и эволюционная генетика Понятие о виде и популяции. Популяция как естественно-историческая структура. Понятие о частотах генов и генотипов. Математические модели в популяционной генетике. Закон Харди-Вайнберга, возможности его применения. С.С. Четвериков – основоположник экспериментальной популяционной генетики. Генетическая гетерогенность популяций. Методы изучения природных популяций. Факторы динамики генетического состава популяции (дрейф генов), мутационный процесс, межпопуляционные миграции, действие отбора. Взаимодействие факторов динамики генетической структуры в природных популяциях. Понятие о внутрипопуляционном генетическом полиморфизме и генетическом грузе. Естественный отбор как направляющий фактор эволюции популяций. Понятие о приспособленности и коэффициенте отбора. Формы отбора: движущий, стабилизирующий, дизруптивный. Роль генетических факторов в эволюции. Молекулярно-генетические основы эволюции. Задачи геносистематики. Значение генетики популяций для медицинской генетики, селекции, решения проблем сохранения генофонда и биологического разнообразия. 11. Генетические основы селекции Предмет и методология селекции. Генетика как теоретическая основа селекции. Учение об исходном материале. Центры происхождения культурных растений по Н.И. Вавилову. Понятие о породе, сорте, штамме. Сохранение генофонда ценных культурных и диких форм растений и животных. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости (Н.И.Вавилов). Значение наследственной изменчивости организмов для селекционного процесса и эволюции. Роль частной генетики отдельных видов организмов в селекции. Использование индуцированных мутаций и комбинативной изменчивости в селекции растений, животных и микроорганизмов. Роль полиплоидии в повышении продуктивности растений. Системы скрещиваний в селекции растений и животных. Аутбридинг. Инбридинг. Коэффициент инбридинга – показатель степени гомозиготности организмов. Линейная селекция. Отдаленная гибридизация. Особенности межвидовой и межродовой гибридизации; скрещиваемость, фертильность и особенности расщепления у гибридов. Пути преодоления нескрещиваемости. Явление гетерозиса и его генетические механизмы. Использование простых и двойных межлинейных гибридов в растениеводстве и животноводстве. Производство гибридных семян на основе цитоплазматической мужской стерильности. Коэффициенты наследуемости и повторяемости и их использование в селекционном процессе. Методы отбора: индивидуальный и массовый отбор. Отбор по фенотипу и генотипу (оценка по родословной и качеству потомства). Сибселекция. Влияние условий внешней среды на эффективность отбора. Перспективы методов генетической и клеточной инженерии в селекции и биотехнологии. 12. Генетика человека Особенности человека как объекта генетических исследований. Методы изучения генетики человека: генеалогический, близнецовый, цитогенетический, биохимический, онтогенетический, популяционный. Использование метода гибридизации соматических клеток для генетического картирования. Изучение структуры и активности генома человека с помощью методов молекулярной генетики. Программа «Геном человека». Проблемы геногеографии. Проблемы медицинской генетики. Врожденные и наследственные болезни, их распространение в человеческих популяциях. Хромосомные и генные болезни. Болезни с наследственной предрасположенностью. Скрининг генных дефектов. Использование биохимических методов для выявления гетерозиготных носителей и диагностики наследственных заболеваний. Причины возникновения наследственных и врожденных заболеваний. Генетическая опасность радиации и химических веществ. Генотоксикология. Перспективы лечения наследственных болезней. Задачи медико-генетическиих консультаций. Роль генетических и социальных факторов в эволюции человека. ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ КАНДИДАТСКОГО МИНИМУМА 1. Роль ядерных и цитоплазматических факторов в передаче наследственной информации. 2. Митотический цикл и фазы митоза. 3. Мейоз и образование гамет. 4. Кариотип. 5. Молекулярные основы наследственности. 6. Структура ДНК и РНК. Модель ДНК Уотсона и Крика. 7 . Свойства генетического кода. 8. Строение хромосом. 9. Изменение в организации морфологии хромосом в ходе митоза и мейоза. 10. Онтогенетическая изменчивость хромосом. 11. Молекулярная организация хромосом прокариот и эукариот. 12. Основные закономерности наследственности. 13. Основы гибридологического метода. 14. Закономерности наследования при моногибридном скрещивании, открытые Г. Менделем. 15. Представление об аллелях и их взаимодействиях. 16. Закономерности наследования в ди- и полигибридных скрещиваниях при моногенном контроле каждого признака. 17. Отклонения от «менделевских» расщеплений при ди- и полигенном контроле признаков. 18. Особенности наследования количественных признаков (полигенное наследование). 19. Представление о генотипе как сложной системе аллельных и неаллельных взаимодействий генов. 20. Наследование признаков, сцепленных с полом. 21. Сцепленное наследование признаков. 22. Кроссинговер. 23. Основные положения хромосомной теории наследственности по Т. Моргану. 24. Генетические карты, принципы их построения у эукариот. 25. Генетический анализ у прокариот. 26. Методы, применяемые в генетическом анализе у бактерий и бактериофагов. 27. Внеядерное наследование 28. Закономерности не хромосомного наследования. 29. Материнский аффект цитоплазмы. 30. Взаимодействие ядерных и внеядерных генов. 31. Информационный фактор в неядерной наследственности. 32. Плазмидное наследование. 33. Значение исследования негенетического наследования в понимании проблем эволюции клеток высших организмов. 34. Формирование признаков как результат взаимодействия генотипа и фактора среды. 35. Геномные изменения: полиплоидия, анеуплоидия. 36. Хромосомные перестройки. 37. Классификация генных мутаций. 38. Спонтанный и индуцированный мутационный процесс. 39. Функциональный и рекомбинационный критерии аллелизма. 40. Исследования тонкой структуры гена на примере фага Т4 (Бензер). 41. Генетический контроль и молекулярные механизмы репликации. 42. Проблемы стабильности генетического материала. 43. Рекомбинация 44. Генетический контроль мутационного процесса. 45. Молекулярные механизмы регуляции действия генов. 46. Принципы регуляции действия генов у эукариот. 47. Онтогенез как реализация наследственно детерминированной программы развития. 48. Тканеспецифическая активность генов. 49. Факторы, определяющие становление признаков в онтогенезе. 50. Генетика соматических клеток. 51. Задачи и методология генетической инженерии. 52. Понятие о виде и популяции. 53. Генетическая гетерогенность популяций. 54. Молекулярно-генетические основы эволюции. 55. Предмет и методология селекции. 56. Роль частной генетики отдельных видов организмов в селекции. 57. Системы скрещиваний в селекции растений и животных. 58. Явление гетерозиса и его генетические механизмы. 59. Особенности человека как объекта генетических исследований. 60. Проблемы медицинской генетики. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. Т. 1-3. М. 1987-1988. 2. Ватти К.В., Тихомирова М.М. Руководство к практическим занятиям по генетике. М. 1989. 3. Гершензон С.М. Основы современной генетики. Киев, 1983. 4. Гуляев Г.В. Генетика. М: Колос, 1984. 5. Дроздецкая B.C. Медицинская генетика. Учебно-методическое пособие для студентов и преподавателей. СПб: Синтезполиграф, 2001. 6. Дрягина И.В. Большой практикум по генетике и селекции. М: МГУ, 1996. 7. Дубинин Н.П. Общая генетика. М., 1976. 8. Заварыкин В.М., Житомирский В.Г и др. Основы информатики и вычислительной техники. М.: Прогресс, 1988. 9. Захаров И.А. Курс генетики микроорганизмов. Минск, 1978. 10. Захаров И.А. Генетические карты высших организмов. Л.: Знание, 1984. 11. Заяц Н.П., Рачковская И.Г. Основы общей и медицинской генетики. М., 1999. 12. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М., 1989. 13. Клаг Н., Каммингс М. Основы генетики (в 2-х томах). М.: Техносфера, 2003. 14. Лакин Г.Ф. Биометрия. М., 1991. 15. Медведев Н.Н. Практическая генетика. М., 1967. 16. Мезина С.И. Законы классической генетики. Новосибирск, 1989. 17. Орехова, Лашковская и др. Медицинская генетика. М., 1999. 18. Орлова Н.Н. Генетический анализ. М.: МГУ, 1991. 19. Пегалова М.И. Задачи по генетике. Курган, 1970. 20. Ригер Р., Михаэлис А. Генетический и цитогенетический словарь. М., 1967. 21. Соколов Г.П. Методические указания по решению различных типов генетических задач. Уссурийск: УПИ, 1988. 22. Соколовская Б.Х. Сто задач по генетике и молекулярной биологии. Новосибирск, 1971. 23. Спицын И.П. Большой практикум по генетике. Тамбов: ТГУ. .1-2. 24. Хедрик X. Генетика популяций. М.: Техносфера, 2003. 25. Шварцман П.Я. Полевая практика по генетике с основами селекции. М., 1986. 26. Щипков В.П., Кривошеина Г.Н. Общая и медицинская генетика. М: Мастерство, 2003. Программа утверждена на заседании кафедры биологии, протокол № 7 от 23 марта 2010 г. Зав. кафедрой д.с.-х.н., профессор А.М.Пучнин